摘要：通過對非靜電力和電動勢的討論，從而說明在不同電路中，電動勢所代表的意義不同，所起的作用不同。

0 引言

電動勢是靜電學(xué)里的重要物理概念，在本文中著重討論非靜電力和電動勢的意義，說明不同電路中電動勢所起的作用也不一樣。

1 非靜電力概念

1.1 靜電平衡狀態(tài)中的非靜電力。導(dǎo)體靜電平衡的必要條件是導(dǎo)體內(nèi)部宏觀點(diǎn)的場強(qiáng)應(yīng)該處處為零。但必須特別注意，只有在導(dǎo)體內(nèi)部的電荷不受任何非靜電力的作用時才是如此。否則，導(dǎo)體內(nèi)場強(qiáng)不是處處為零的。例如，一金屬AB，在均勻磁場中作勻速運(yùn)動，運(yùn)動方向和磁場方向(×表示B垂直紙面向里)，金屬棒內(nèi)的自由電子受到洛侖茲力的作用，而堆積在B端，使B端帶負(fù)電，A端帶正電。于是AB間產(chǎn)生靜電場。當(dāng)作用于自由電子的靜電場力與洛侖茲力平衡時，此金屬棒(仍以V作勻速運(yùn)動)才處于靜電平衡狀態(tài),導(dǎo)體內(nèi)不再有電荷相對于導(dǎo)體作宏觀運(yùn)動。這時，導(dǎo)體內(nèi)部的靜電場并不為零。

稍后，將分析化學(xué)電池的內(nèi)、外電路中的電場。我們確信，當(dāng)化學(xué)電池?cái)嗦窌r，兩極各帶正、負(fù)電荷，電池系數(shù)處于靜電平衡，在電池內(nèi)部，作用于電荷的靜電力與非靜電力平衡，合力為零，但電池內(nèi)部的靜電場強(qiáng)并不處處為零。

1.2 穩(wěn)恒電路中的非靜電力。由安培定理知道：純靜電系統(tǒng)的平衡是不穩(wěn)定的，放電電流也是不穩(wěn)定的。要獲得穩(wěn)定的電流，在系統(tǒng)內(nèi)必須同時有非靜電力對電荷的作用存在。

已充電的平行板電容器與電阻R連接成回路，放電電流是非穩(wěn)恒的，電容器的靜電能量轉(zhuǎn)換成電流通過R時的焦耳熱，而且能量很快釋放完畢，于是電流停止，電容器A，B極板上的正負(fù)電荷完全中和，欲使回路中的電流穩(wěn)恒，根據(jù)穩(wěn)恒電流必須滿足的條件 在回路中任作一閉合曲面，其內(nèi)的電荷對時間的變化率成為零，也可以說回路中處處的電荷分布不隨時間變化，但電荷可以移動。因而我們設(shè)想，帶正電的A板與帶負(fù)電的B板之間存在著某種外來的非靜電力，它反抗A，B板間的靜電力，及時地從B板取走正電荷，使B板失去正電荷而獲得等量的負(fù)電荷，恰好補(bǔ)償了B板在放電過程中損失的負(fù)電荷，使B板的電荷分布不隨時間變化。同時，非靜電力把從B板取走的正電荷及時地傳給了A板，使A板在放電過程中的電荷分布也不隨時間變化。這樣可以使這個含有非靜電力的回路保持穩(wěn)恒電流。非靜電力在B板取走正電荷，并反抗AB板間的靜電力把正電荷傳遞給A板所做的功，轉(zhuǎn)化成了回路中穩(wěn)恒電流釋放的電能以及形成穩(wěn)恒電流的初始暫態(tài)過程中，回路所積聚的磁場能。具有這種非靜電力的能源裝置，我們稱它為電源。

1.3 非靜電力的物理本質(zhì)。我們討論一些常見的電源內(nèi)出現(xiàn)的非靜電力。如導(dǎo)體在穩(wěn)定的磁場中作切割磁感應(yīng)線的運(yùn)動，導(dǎo)體中自由電子所受到的非靜電力是洛侖茲力(磁場對運(yùn)動電荷的作用力);導(dǎo)體在變化著的磁場產(chǎn)生的感生電場(不具有位場性質(zhì)，是一非靜電的電場)力;導(dǎo)體在變化著的磁場中運(yùn)動，自由電子所受到的非靜電力，既有洛侖茲力，又有感生電場力;如果性質(zhì)不均勻，如化學(xué)性質(zhì)不均勻(化學(xué)電池)，物理性質(zhì)不均勻(溫差電池等)，電池內(nèi)的電荷可以宏觀遷移，伴隨有能量的傳換。所有這些都可以歸結(jié)為非靜電力的作用。

在化學(xué)電池中，金屬與電解質(zhì)相接觸的地方，導(dǎo)體的化學(xué)性質(zhì)就不均勻。由于化學(xué)作用，發(fā)生電荷的宏觀遷移，化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。我們可以說，這是由于某種“化學(xué)力”的作用所致，這種化學(xué)力便是非靜電力。由此可見，非靜電力可以有許多不同原因產(chǎn)生，各自的物理本質(zhì)也不相同。洛侖茲力、感生電場力等非靜電力是一種有質(zhì)動力，或者說是真實(shí)的力，而“化學(xué)力”這種非靜電力則是唯象的，是與力等效的作用，這些力并非來源于靜電荷，它們不遵守庫侖定律，但又可使電荷運(yùn)動，故統(tǒng)稱為非靜電力。 從場的觀點(diǎn)看，直接與電荷相作用的是電場力，因此作用于電荷的非靜電力，也可以歸結(jié)為一種非靜電起源的電場作用，從而引入了非靜電起源的電場(簡稱非靜電場)這一概念。感生電場是一種非靜電場，但是感生電場是一種真實(shí)的電場，由于它與靜電場的性質(zhì)不相同故稱為非靜電場(非位場)，其它，如洛侖茲力，化學(xué)力等作為一種非靜電力而言，都是一種等效的電場力，特別強(qiáng)調(diào)的是，不管非靜電場(力)是真實(shí)的感生電場(力)或等效電場(力)，非靜電場(力)的主要物理性質(zhì)是非保守場(力)。非靜電場強(qiáng)的線積分與積分路徑有關(guān)。

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2 電動勢概念

我們把如圖2所示的A,B兩板看成是化學(xué)電池的正負(fù)電極，電極間存在的非靜電力是一種化學(xué)力，于是這個裝置就是化學(xué)電池。在電池內(nèi)非靜電力對電荷作功，使A,B電位差保持不變，則此回路中的電流是穩(wěn)恒的。

不同電源內(nèi)非靜電場對單位正電荷做功的能力不同，故引入電動勢概念來表征電源具有的這一基本性質(zhì)。

2.1 電動勢的定義。在一般電磁學(xué)書中，電動勢的定義有以下幾種：

2.1.1 《PSSC物理》給電動勢的定義是：“電源內(nèi)部單位正電荷從負(fù)極到正極獲得的能量”。這種定義未引入非靜電力概念，但反映了電動勢概念主要的物理特點(diǎn)，把電動勢與電壓、電位等物理量內(nèi)在地聯(lián)系起來，在初等物理學(xué)中使用這種定義，學(xué)生易于理解，也便于與大學(xué)課程銜接。

2.1.2 福里斯、季莫列娃合編的《普通物理學(xué)》中說：“繞電路一周時，電位躍變的代數(shù)和叫做電路中的電動勢”。這種定義也未引入非靜電力概念。除化學(xué)電池外，其它非靜電力作用不能引起電位躍變，此定義不適用。例如圖3所示，金屬棒中AB在磁場中繞棒的一端B旋轉(zhuǎn)，洛侖茲力推動AB間的電荷運(yùn)動而產(chǎn)生電荷及電位的某種分布，就不是一種躍變。因此，這種定義沒有反映所有電源的共同特征，未突出電動勢的本質(zhì)，現(xiàn)已不被人們采用。

2.1.3 目前較流行的電源電動勢的定義是：電源的電動勢是單位正電荷從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極時非靜電所做的功。

式中為電源電動勢，A為正電荷q從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極時非靜電場力所做的功。對整個閉合回路而言

即單位正電荷環(huán)繞閉合回路一周，非靜電場力所做的功稱為電動勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，陳熙謀，電磁學(xué) [M]北京：高等教育出版社，1999

劉克哲，物理學(xué)[M]，北京：高等教育出版社，1987。